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一、DS18B20简介

DS18B20是一款由Dallas Semiconductor公司生产的单总线数字温度传感器。它具有以下特点：

• 单总线接口：仅需一根数据线即可与微控制器进行通信，大大减少了硬件连接的复杂性。
• 高精度测量：测量范围为 - 55°C 至 + 125°C，精度可达 ± 0.5°C。
• 可编程分辨率：可以通过配置寄存器设置9 - 12位的分辨率，对应的温度精度分别为 0.5°C、0.25°C、0.125°C 和 0.0625°C。
• 自带温度校准：内部集成了温度校准电路，无需额外的校准操作。

二、硬件连接

DS18B20通常有三个引脚：VDD（电源）、GND（接地）和DQ（数据）。连接时，VDD接电源（一般为3.3V或5V），GND接地，DQ引脚连接到微控制器的一个GPIO引脚。为了保证通信的稳定性，通常需要在DQ引脚上拉一个4.7KΩ的电阻到电源。

三、通信协议

DS18B20采用单总线通信协议，通信过程主要包括初始化、ROM操作命令和功能命令三个步骤。

1. 初始化

初始化过程是主机和DS18B20建立通信的第一步。主机通过拉低数据线至少480μs，然后释放数据线，等待15 - 60μs后，检测DS18B20是否存在。如果DS18B20存在，它会拉低数据线60 - 240μs作为响应。

2. ROM操作命令

在初始化成功后，主机可以发送ROM操作命令来识别总线上的DS18B20。常见的ROM操作命令有：

• 搜索ROM（0xF0）：用于识别总线上所有DS18B20的64位ROM代码。
• 读取ROM（0x33）：用于读取单个DS18B20的64位ROM代码。
• 匹配ROM（0x55）：用于指定与主机通信的DS18B20。
• 跳过ROM（0xCC）：当总线上只有一个DS18B20时，可以跳过ROM操作，直接进行功能命令操作。

3. 功能命令

在完成ROM操作后，主机可以发送功能命令来控制DS18B20的工作。常见的功能命令有：

• 温度转换（0x44）：启动DS18B20进行温度转换。
• 读取暂存器（0xBE）：读取DS18B20内部暂存器中的温度数据。

四、代码实现（以STM32为例，使用HAL库）

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <stdio.h>

// 定义DS18B20连接的GPIO引脚
#define DS18B20_PORT GPIOA
#define DS18B20_PIN GPIO_PIN_0

// 初始化DS18B20
uint8_t DS18B20_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    // 使能GPIOA时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 配置DS18B20引脚为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // 拉低数据线至少480μs
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1); // 延时1ms

    // 释放数据线
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1); // 延时1ms

    // 检测DS18B20的响应
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);
    if (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        HAL_Delay(2); // 延时2ms
        if (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN) == GPIO_PIN_SET)
        {
            return 1; // 初始化成功
        }
    }
    return 0; // 初始化失败
}

// 向DS18B20写入一个字节
void DS18B20_WriteByte(uint8_t dat)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(1); // 延时1μs
        if (dat & 0x01)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        HAL_Delay(60); // 延时60μs
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET);
        dat >>= 1;
    }
}

// 从DS18B20读取一个字节
uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
    uint8_t dat = 0;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = DS18B20_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_InitStruct);

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(1); // 延时1μs
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(1); // 延时1μs
        dat >>= 1;
        if (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_PORT, DS18B20_PIN) == GPIO_PIN_SET)
        {
            dat |= 0x80;
        }
        HAL_Delay(60); // 延时60μs
    }
    return dat;
}

// 启动DS18B20进行温度转换
void DS18B20_StartConvert(void)
{
    if (DS18B20_Init())
    {
        DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM操作
        DS18B20_WriteByte(0x44); // 启动温度转换
    }
}

// 读取DS18B20的温度值
float DS18B20_ReadTemperature(void)
{
    uint8_t LSB, MSB;
    int16_t temp;
    float temperature;

    if (DS18B20_Init())
    {
        DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM操作
        DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读取暂存器

        LSB = DS18B20_ReadByte();
        MSB = DS18B20_ReadByte();

        temp = (MSB << 8) | LSB;
        temperature = (float)temp / 16.0;
    }
    else
    {
        temperature = -127.0; // 初始化失败，返回错误值
    }
    return temperature;
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    float temperature;

    while (1)
    {
        DS18B20_StartConvert();
        HAL_Delay(750); // 等待温度转换完成
        temperature = DS18B20_ReadTemperature();
        printf("Temperature: %.2f°C\n", temperature);
        HAL_Delay(1000); // 每隔1秒读取一次温度
    }
}

五、代码解释

1. DS18B20_Init函数：用于初始化DS18B20，通过拉低和释放数据线，检测DS18B20的响应信号，判断初始化是否成功。
2. DS18B20_WriteByte函数：向DS18B20写入一个字节的数据，通过逐位发送的方式将数据写入。
3. DS18B20_ReadByte函数：从DS18B20读取一个字节的数据，通过逐位读取的方式将数据读取出来。
4. DS18B20_StartConvert函数：启动DS18B20进行温度转换，先跳过ROM操作，然后发送温度转换命令。
5. DS18B20_ReadTemperature函数：读取DS18B20的温度值，先跳过ROM操作，然后发送读取暂存器命令，读取低字节和高字节的数据，将其组合成一个16位的整数，最后转换为浮点数表示的温度值。
6. main函数：在主函数中，循环调用DS18B20_StartConvert函数启动温度转换，等待750ms（保证温度转换完成），然后调用DS18B20_ReadTemperature函数读取温度值，并通过串口输出。

通过以上步骤和代码，我们可以成功驱动DS18B20温度传感器，实现温度的测量和读取。